Спектральні прилади

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Розкладання світла в спектр вперше було описано І. Ньютоном. Пучок сонячних променів, пройшовши через круглий отвір у віконниці в затемненій кімнаті, падав на скляну призму і давав на стіні райдужну картину. Ньютон пояснив це явище, виходячи зі створеної ним нової теорії світла (1704 р.). Детальніше спектр сонця він не досліджував. Минуло понад 100 років, і Волластон, використовуючи замість круглого отвору вузьку щілину, виявив несподівано в спектрі сонця чорні лінії і смуги. Більш ретельне дослідження цих ліній зробив в 1814 р. Фраунгофер: спостерігаючи спектр сонця в астрономічну зорову трубу, він виміряв кути заломлення призми для кожної з темних ліній, пронумерувавши лінії, які найбільш виділялись.

Неодноразово робилися припущення, що між спектром речовини і її хімічним складом існує певний зв'язок. Експериментально ж ці здогади були підтверджені тільки в кінці 1859 р., коли Кірхгоф і Бунзен отримали спектр поглинання натрію, ввівши кухонну сіль в полум'я пальника. Перший в світі спектроскоп, зроблений ними, складався з коліматора (об'єктив, у фокусі якого встановлена вхідна щілина), призми і зорової труби восьмикратного збільшення. Порожня скляна призма заповнювалася рідким сірковуглецем. Джерелом світла служив пальник Бунзена, який ставився безпосередньо перед щілиною. Зміна спостережуваних спектральних ділянок здійснювалася поворотом призми. Дослідивши спектри випромінювання і поглинання різних речовин, Кірхгоф встановив, що спектр поглинання кожного хімічного елемента збігається з його ж спектром випромінювання. Кірхгоф по праву може бути названий батьком спектрального приладобудування, а 1859 р. - роком народження спектрального аналізу. Пізніше Кірхгоф, поставивши у свій спектроскоп призми і використавши в ньому трубу зі збільшенням 40х, зміг скласти докладний атлас ліній поглинання сонця у видимій області спектра і ототожнити ці лінії з лініями в спектрах наявних на землі хімічних елементів. При цьому, однак, положення спектральних ліній виражалося довільною шкалою, пов'язаною з положенням призми на столику спектроскопа (градуювання поворотом призми).

1859 р. можна вважати початком першого етапу розвитку спектрального приладобудування. Головним змістом цього етапу була розробка основних типів диспергуючих систем, які застосовувалися потім у лабораторних спектральних установках. Спектральний аналіз на цьому етапі є лише якісним методом аналізу.

З тих пір спектральна апаратура безперервно удосконалюється.

1. Поняття про спектральні прилади

Спектральними називаються оптичні прилади, в яких здійснюється розкладання електромагнітного випромінювання оптичного діапазону на монохроматичні складові.

Основними частинами спектрального приладу, що зображений на рис. 1.1, є вхідна щілина S, на яку спрямовується світло від джерела (дуги чи іскри); об'єктив коліматора О1, у фокальній площині якого розташована вхідна щілина S; диспергуючий пристрій D, що працює в паралельних пучках променів; фокусуючий об'єктив О2, що утворює у своїй фокальній площині Р монохроматичні зображення вхідної щілини, сукупність яких і утворює спектр. Диспергуючим елементом, як правило, є призми або дифракційні грати.

Рис. 1.1 - Принципова оптична схема спектрального приладу

Спектральні прилади дозволяють: а) розкласти досліджуване випромінювання в спектр і зафіксувати положення окремих його ділянок або окремих спектральних ліній; б) виміряти інтенсивність тієї чи іншої ділянки спектра, тієї чи іншої спектральної лінії.

Таким чином, спектральні прилади досліджують саме випромінювання як сигнал, що посилається нам матерією і дає інформацію про її будову, в той час як всі інші оптичні прилади призначені для дослідження властивостей, розмірів, форми або положення різних фізичних тіл у макросвіті. Спектральні прилади - інструменти для дослідження мікросвіту.

1.1 Класифікація спектральних приладів

В залежності від способу реєстрації спектру прилади діляться на спектроскопи, спектрографи, спектрометри, монохроматори.

Спектроскоп - оптичний пристрій для візуального спостереження спектра випромінювання. Складається з вхідного коліматора, диспергуючого вузла і зорової труби (спектроскоп Кірхгофа). Коліматор - оптичний прилад, використовуваний для створення пучка паралельних променів при лабораторних дослідженнях зорових труб і кутомірних приладів. Спектроскоп служить для спостереження спектрів випромінювання і поглинання. Застосовується в основному для якісного та напівкількісного аналізу в металургії, біології та медицині.

Спектрограф - спектральний прилад, у якому приймач випромінювання одночасно реєструє весь можливий електромагнітний спектр. Складається з вхідного коліматора, диспергуючого вузла та фотокамери (вихідний об'єктив з касетною частиною). Служить як для якісного, так і для точного кількісного емісійного спектрального аналізу. Приймачами випромінювання можуть бути фотоматеріали, багатоелементні фотоприймачі (ПЗЗ-матриці або лінійки), електронно-оптичні перетворювачі. Спектрографи використовуються переважно в ультрафіолетовій (УФ), видимій та ближній інфрачервоній (ІЧ) області спектра, що зумовлено наявними в даний час багатоелементними приймачами випромінювання (190 - 2600 нм). Застосовується переважно в астрономії.

Спектрометр - спектральний прилад зі сканувальним пристроєм, який за допомогою фотоелектричних приймачів дає змогу кількісно оцінювати розподіл енергії у спектрі. Зазвичай вимірюваними величинами є інтенсивність і енергія (довжина хвилі, частота) випромінювання, але можуть реєструватися і інші характеристики, наприклад, поляризаційний стан. Термін «спектрометр» застосовується до приладів, що працюють в широкому діапазоні довжин хвиль: від гамма до інфрачервоного діапазону.

Монохроматор - спектральний оптико-механічний прилад, призначений для виділення монохроматичного випромінювання. Оптична система монохроматора включає в себе вхідну щілину, коліматорний об'єктив, диспергуючий елемент, фокусуючий об'єктив і вихідну щілину, яка виділяє випромінювання, що належить вузькому інтервалу довжин хвиль. Можливість сканування спектра (вибору потрібного спектрального діапазону) забезпечується шляхом повороту диспергуючого елемента. Для забезпечення точності поворот здійснюється за допомогою спеціального передатного механізму.

В залежності від елементів, які забезпечують спектральне розкладання, розрізняють призмові прилади, прилади з дифракційними гратками та інтерференційні прилади.

1.2 Основні характеристики спектральних приладів

Основними характеристиками спектральних приладів, що визначають їх властивості та можливості, є: світлосила, дисперсія і роздільна здатність, рівень розсіяного світла.

Світлосила - величина, що характеризує ступінь ослаблення об'єктивом світлового потоку. Відносний отвір об'єктива є геометричним поняттям і характеризує його світлосилу тільки умовно - без урахування оптичних властивостей лінз об'єктива. При проходженні світлового потоку через об'єктив частина його поглинається масою скла, а частина відбивається і розсіюється поверхнею лінз, тому світловий потік доходить до світлочутливого елемента ослабленим. Світлосила, що враховує ці втрати, називається ефективною світлосилою.

Втрата світла, яка зменшує прозорість об'єктива, визначається за формулою:

; (1.2.1)

- частина світла, що втрачається при відображенні однієї поверхні розділу середовищ;

- число поверхонь розділу повітря-скло;

- поглинання світла 1 см скла;

- сумарна товщина лінз в об'єктиві.

Величина називається коефіцієнтом світлопропускання об'єктива.

Важливими характеристиками спектрального приладу є його кутова і лінійна дисперсії. Кутова дисперсія - це характеристика диспергуючого пристрою (дифракційної решітки). Ця величина визначає його здатність відхиляти випромінювання різних довжин хвиль на різні кути. Якщо промені двох близьких довжин хвиль л і л + dл відхиляються відповідно на кути и і и + dи, то кутова дисперсія визначається як похідна dи / dл.

Для дифракційної решітки кутова дисперсія:

; (1.2.2)

- порядок дифракційного спектра;

- число штрихів / мм решітки;

- кут дифракції.

Очевидно, що кутова дисперсія тим більше, чим більше число штрихів / мм (штр / мм) біля гратки і чим більше кут дифракції, а також у разі роботи у високих порядках спектра.

Лінійна дисперсія є характеристикою приладу в цілому. Якщо dl - це відстань на поверхні зображення між двома близькими спектральними лініями, різниця довжин хвиль яких дорівнює dл, то тоді лінійна дисперсія знаходиться як похідна

dl / dл.

Роздільна здатність характеризує властивість приладу розділяти світло, що відрізняється за довжинами хвиль на інтервал . Чим менший цей інтервал, тобто чим детальніше дослідження спектра дає змогу зробити прилад, тим більша його роздільна здатність. Її виражають не інтервалом , а безрозмірною величиною

; (1.2.3)

Виведемо формулу для визначення роздільної здатності призми. Нехай на діафрагму (рис. 1.2.1) падає паралельний пучок світла, довжини хвиль якого у вакуумі і . Якщо площина є хвильовою поверхнею для хвиль завдовжки , то нормаль до неї визначає напрям на центральний максимум для хвилі . У випадку, коли цей напрям вказує напрям на перший мінімум хвилі , то за критерієм Релея ці хвилі мають спостерігатись роздільно.

Рис. 1.2

На основі цього можна записати:

(1.2.4)

де і - показники заломлення для монохроматичних променів, довжини хвиль яких відповідно та .

Із цих рівнянь маємо:

. (1.2.5)

Це співвідношення перепишемо у вигляді:

; (1.2.6)

звідки одержимо вираз для роздільної здатності призми:

; (1.2.7)

Розглянемо зв'язок між роздільною здатністю і дисперсією.

; (1.2.8)

- найменша відстань між двома монохроматичними лініями.

Таким чином, роздільна здатність приладу пропорційна його лінійній дисперсії. Для збільшення роздільної здатності застосовують монохроматори зі складанням дисперсії.

У всіх монохроматорах на вихідну щілину завжди потрапляє, крім розкладеного в спектр випромінювання, ще й певна кількість паразитного (розсіяного) випромінювання інших довжин хвиль. Пояснити це можна багаторазовим віддзеркаленням світла від оптичних деталей, відблисками на їх оправах і внутрішніх стінках приладу, розсіюванням світла на поверхнях оптичних деталей.

Розсіяне світло знижує точність спектрофотометричних вимірювань особливо тоді, коли яскравість джерел або чутливість приймачів випромінювання в досліджуваній області спектра невелика. Щоб зменшити рівень розсіяного світла, чорнять оправи і внутрішні стінки за допомогою спеціальних покриттів, а також встановлють всередині приладів перегородки і застосовуть додаткові світлофільтри.

2. Спектральний аналіз

Спектральний аналіз - сукупність методів визначення складу (наприклад, хімічного) об'єкта, заснований на вивченні спектрів взаємодії матерії з випромінюванням: спектри електромагнітного випромінювання, радіації, акустичних хвиль, розподілу за масою та енергією елементарних частинок та інше. Спектральний аналіз ґрунтується на явищі дисперсії світла.

Спектральний аналіз за оптичними спектрами атомів був запропонований у 1859 році Г. Кірхгофом та Бунзеном. За його допомогою гелій (He) був відкритий на Сонці раніше ніж на Землі. Але ще у 1854 році доктор Девід Альтер , науковець з міста Фріпорт, штату Пенсильванія (США) надрукував наукову працю[2], що описувала спектральні властивості 12 металів.

Розрізняють атомарний та молекулярний спектральний аналіз.

2.1 Атомарний спектральний аналіз

Спектри випромінювання атомів зазвичай виходять при високій температурі джерела світла (плазма, дуга або іскра), при якій відбувається випаровування речовини, розщеплення його молекул на окремі атоми і збудження атомів до світіння. Атомний аналіз може бути як емісійним - дослідження спектрів випромінювання, так і абсорбційним - дослідження спектрів поглинання.

Атоми кожного хімічного елемента мають певні резонансні частоти, внаслідок чого саме на цих частотах вони випромінюють або поглинають світло. Це призводить до того, що в спектроскопі на спектрах видимі лінії (темні або світлі) в певних місцях, характерних для кожної речовини. Інтенсивність ліній залежить від кількості речовини і її стану. У кількісному спектральному аналізі визначають зміст досліджуваної речовини за відносною або абсолютною інтенсивністю ліній або смуг у спектрах.

Якщо вузький пучок білого світла спрямувати на бічну грань тригранної призми, то, по-різному заломлюючись у склі, промені, з яких складається біле світло, дадуть на екрані райдужну смужку, що називається спектром. У спектрі всі кольори розміщені завжди в певному порядку. Світло поширюється у вигляді електромагнітних хвиль.

Кожному кольору відповідає певна довжина електромагнітної хвилі. Довжина хвилі світла зменшується від червоних променів до фіолетових приблизно від 0,7 до 0,4 мкм. За фіолетовими променями у спектрі лежать ультрафіолетові промені, які невидимі для ока, але діють на фотопластинку. Ще меншу довжину хвилі мають рентгенівські промені. За червоними променями знаходиться область інфрачервоних променів. Вони невидимі, але сприймаються приймачами інфрачервоного випромінювання, наприклад спеціальними фотопластинками.

2.2 Молекулярний спектральний аналіз

При дослідженні спектрів молекул важливо, щоб в процесі аналізу молекули не змінили своєї структури. Спектри двоатомних вільних молекул вивчають як у випромінюванні, так і в поглинанні. Спектри більш складних молекул легше вивчати в поглинанні, не піддаючи досліджувану речовину нагріванню. При абсорбційному аналізі яскравий пучок світла від джерела із суцільним спектром пропускають через досліджувану речовину. При цьому частина світлової енергії пучка буде поглинена електронами, атомами, іонами або молекулами речовини. В результаті цього в суцільному спектрі відбудуться характерні зміни, з'являться лінії і смуги поглинання. Положення ліній поглинання в спектрі таке ж, як і ліній випромінювання цієї речовини (якби вони були отримані), тому по положенню, будові та інтенсивності ліній поглинання можна дізнатися про склад і будову досліджуваного речовини.

Згадаємо ще один вид спектрального аналізу - люмінесцентний, заснований на явищі люмінесценції, яке полягає в наступному. Поглинаючи падаюче випромінювання, молекули можуть переходити в нестійкий стан з більш високою енергією, а потім (відразу або через деякий час), випромінюючи, переходити в один із стійких станів з енергією, проміжною між первісною і тією, якою вони володіли в нестійкому стані. В результаті цього довжина хвилі випромінювання люмінесценції буде відрізнятися від довжини хвилі збудження. По довжині хвилі випромінювання люмінесценції можна судити про рівні енергії нестійких станів молекули.

Світло, що випромінюється при комбінаційному розсіюванні і при люмінесценції, часто дуже слабке у порівнянні з падаючим випромінюванням і вимагає для свого аналізу прилади з великою світлосилою або ж джерела збуджуючого випромінювання особливої потужності (лазери).

3. Дві основні задачі теорії спектральних приладів

спектральний прилад монохроматор дисперсія

Дві основні задачі теорії спектральних приладів:

1) відновлення інформації, втраченої в приладі, шляхом використання інформації про спотворюючі властивості самого приладу;

2) знаходження таких умов роботи приладу, при яких він дав би максимальну кількість інформації, необхідну для вирішення даної конкретної задачі, іншими словами, знаходження умов отримання відносного максимуму інформації.

Для вирішення обох задач нам необхідно мати відомості про спотворюючі властивості даного приладу. Характеристикою їх служить так звана апаратна функція, що описує спостережуваний спектральний розподіл інтенсивності випромінювання на виході приладу (фотопластинка або реєструючий пристрій), при подачі на вхід приладу суворо монохроматичного випромінювання (тобто випромінювання, що знаходиться в спектральному інтервалі, шириною якого в межах даного завдання можна знехтувати).

Апаратна функція спектрального приладу визначається спотвореннями, що вносяться фізичними властивостями його диспергуючого елемента, кінцевими розмірами вхідної діафрагми, абераціями інерційністю приймально-реєструючої системи, її шумами, і недосконалістю виготовлення та юстування окремих оптичних і механічних елементів приладу.

В ідеальному спектральному приладі має місце тільки перша причина спотворень, в реальному - всі інші, тому розгляд впливу цих спотворень розглядаються окремо. Апаратну функцію ідеального спектрального приладу можна визначити на основі теорії основних диспергуючих елементів, що застосовуються в сучасних спектральних приладах.

Знання її дає можливість відновити втрачену інформацію не тільки в ідеальному, а й у реальному приладі, якщо спотворюючі властивості реального приладу відомі і можуть бути представлені в аналітичному вигляді.

Правильний вибір оптичної схеми, вибір конструкції приладу і вибір режиму роботи приймально-реєструючої частини приладу забезпечують найменшу величину втрат інформації в реальному приладі.

4. Застосування спектральних приладів

Широке застосування спектральні прилади мають в астрономії. Найважливішим джерелом інформації про більшість космічних об'єктів є їхнє випромінювання. Дістати найцінніші й найрізноманітніші відомості про тіла дає змогу спектральний аналіз їхнього випромінювання. За допомогою цього методу можна встановити якісний і кількісний хімічний склад світила, його температуру, наявність магнітного поля, швидкість руху та багато іншого.

Для одержання спектрів застосовують спектроскоп та спектрограф. Вивчення спектрів дає змогу аналізувати хімічний склад газів, що випромінюють або поглинають світло.

Кількість атомів або молекул, які випромінюють чи поглинають енергію, визначається інтенсивністю ліній. Чим помітніша лінія певного елемента у спектрі випромінювання або поглинання, тим більше таких атомів (молекул) на шляху променя світла.

Під час отримання спектрограми світила, над нею чи під нею вдруковують спектри порівняння від земного джерела випромінювання.

Спектр порівняння вважають нерухомим, і відносно нього можна визначати зміщення ліній спектра зірки.

Навіть швидкості небесних тіл (десятки й сотні кілометрів на секунду) зумовлюють настільки малі зміщення (соті або десяті частки мм), що їх можна виміряти на спектрограмі тільки під мікроскопом. Щоб з'ясувати, якій зміні довжини хвилі це відповідає, треба знати масштаб спектра, тобто на скільки змінюється довжина хвилі, якщо ми просуваємося вздовж спектра на 1 мм.

Спектральні прилади використовуються для якісного і кількісного дослідження спектрального складу світла, що випромінюється, поглинається, відбивається або розсіюється речовиною.

Ці дослідження дозволяють судити про властивості речовини, її хімічний склад і характер фізичних процесів, пов'язаних з випромінюванням або взаємодією світла з речовиною. Спектральні прилади застосовуються також для отримання випромінювання заданого спектрального складу.

Размещено на Allbest.ru